何方可，張 雷，謝衛(wèi)東，殷言春

(1.浙江吉利控股集團制造工程(ME)中心， 浙江 寧波 315336；2.瑞鵠汽車模具有限公司， 安徽 蕪湖 241006)

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氮氣彈簧拉延?，F(xiàn)場狀態(tài)與CAE分析一致性的提高

何方可1，張 雷2，謝衛(wèi)東1，殷言春2

(1.浙江吉利控股集團制造工程(ME)中心， 浙江 寧波 315336；2.瑞鵠汽車模具有限公司， 安徽 蕪湖 241006)

論述了氮氣彈簧壓力特性曲線變化規(guī)律，即氮氣彈簧初始充氣壓力決定了彈簧初始壓力，氮氣彈簧壓力隨行程增大而增大，但變化規(guī)律是非線性的。對現(xiàn)場氮氣彈簧壓邊力變化規(guī)律進行研究,發(fā)現(xiàn)初始時壓邊力為70 t，拉延結(jié)束時壓邊力為96 t，壓邊力增大37%，造成現(xiàn)場板件嚴重開裂，與CAE狀態(tài)相差很大。通過將氮氣缸初始充氣壓強從11 MPa調(diào)整至9 MPa，消除了現(xiàn)場板件開裂，同時CAE采用變壓邊力模擬，結(jié)果顯示板件現(xiàn)場狀態(tài)與CAE分析狀態(tài)一致，改善效果明顯。

氮氣彈簧；初始充氣壓強；行程；壓邊力；破裂

1 問題的提出

圖1、圖2分別為國外某汽車零件拉延件現(xiàn)場狀態(tài)與CAE狀態(tài)，對比可看出:現(xiàn)場板件出現(xiàn)嚴重開裂，但CAE模擬狀態(tài)良好，甚至沒有開裂風險，現(xiàn)場狀態(tài)與CAE模擬相差較大。

圖1 現(xiàn)場工件拉延狀態(tài)

圖2 對應CAE狀態(tài)

研合率滿足主機廠要求后，現(xiàn)場板件仍存在嚴重開裂，因此技術(shù)人員將板件開裂的原因鎖定在氮氣彈簧壓邊力上。與普通拉延模不同，此車型拉延模由氮氣彈簧提供壓邊力。氮氣彈簧由于其良好的壓力曲線特性及高精度特點，越來越多地應用于汽車板件拉延模上。

目前國內(nèi)模具使用氮氣彈簧拉延模應用比較少，無論是結(jié)構(gòu)設計人員還是現(xiàn)場調(diào)試人員對氮氣彈簧工作原理及壓力特性認識不夠，造成調(diào)試出現(xiàn)很多問題，過程緩慢。同時由于工藝人員對氮氣彈簧壓力曲線缺少認識，在CAE模擬時使用恒定壓邊力，而不是變壓邊力，造成CAE模擬結(jié)果與現(xiàn)場零件實際狀態(tài)有偏差。

綜上所述，目前由氮氣彈簧提供壓邊力的拉延?，F(xiàn)場拉延狀態(tài)與CAE模擬狀態(tài)相差較大，一方面原因是之前沒有承制過氮氣彈簧提供壓邊力的拉延模沖壓工件，缺少經(jīng)驗；另一原因是CAE模擬氮氣彈簧經(jīng)驗不足。 因此，需要通過對氮氣彈簧力特性及AUTOFORM壓邊力控制方式進行深入研究，以提高現(xiàn)場與CAE模擬一致性。

2 氮氣彈簧壓力特性解析

圖3為拉延模氮氣彈簧排布情況，共10根氮氣彈簧，串聯(lián)排布。氮氣彈簧型號為WDX356204-9512BMP。

圖3 拉延模氮氣彈簧排布

2.1 氮氣彈簧參數(shù)

圖4為WDX356204系列氮氣彈簧參數(shù)，從圖4(a)可看出9512BMP型號氮氣彈簧標準初始壓力F標準為95 kN，公稱行程S公稱為125 mm；從圖4(b)可看出:9512BMP型號氮氣彈簧滿行程壓力F終=152 kN，標準充氣壓力P標準=15 MPa。

2.2 氮氣彈簧初始壓力

從圖4可看出:氮氣彈簧初始壓力是95 kN，但該壓力是建立在15 MPa標準充氣壓力基礎(chǔ)上，若初始充氣壓力達不到15 MPa，氮氣彈簧初始壓力達就達不到95 kN。式(1)為氮氣彈簧初始壓力公式。

(1)

式中：P標準表示標準充氣壓強；F標準表示標準初始壓力；P初始表示初始充氣壓強；F初始表示初始壓強下氮氣缸壓力。從式(1)可以看出：氮氣彈簧初始壓力與氣缸初始壓強成正比，初始壓強越大，氮氣缸初始壓力越大。由以上分析可知：WDX356204-9512BMP型氮氣缸標準初始壓力F標準=95 kN， 標準充氣壓強P標準=15 MPa，現(xiàn)場首輪調(diào)試時使用110巴初始壓強，即P初始=11 MPa，故氮氣彈簧初始壓力F初始=95×11 /15=70 kN。

圖4 WDX356204系列氮氣彈簧參數(shù)

2.3 氮氣彈簧壓力隨行程變化規(guī)律

氮氣彈簧工作時其壓力并不是保持恒定，而是隨著行程增加而逐漸增大。這是因為氮氣缸充氣后，氮氣缸內(nèi)氣體壓強并不是恒定的，隨著行程增加，氮氣缸內(nèi)氣體體積受壓縮，壓強增大，因此壓力增大。氮氣缸壓力與行程關(guān)系見式(2)。

(2)

式中：FS表示行程為S時彈壓力；F初始為在初始充氣壓力下初始彈壓力；S公稱表示氮氣彈簧公稱行程；S使用表示工作行程；F標準表示標準初始壓力；F終表示標準壓強下滿行程壓力。

3 現(xiàn)場首輪調(diào)試時壓邊力

由圖5可看出：首輪調(diào)試氮氣彈簧充氣壓強為11 MPa，在該壓強下，WDX356204-9512BMP型氮氣彈簧隨行程變化壓力FS見式(3)。

FS=95 000×125/(125-0.375S)

(3)

由本文可知，此拉延模布置10根氮氣彈簧，則現(xiàn)場壓邊力F隨行程變化規(guī)律如下：

F=95 000×10×125/(125-0.375S)

(4)

式中S表氮氣彈簧行程(mm)。

圖5 首輪調(diào)試氮氣彈簧充氣壓強

從圖6可看出： 10根WDX356204-9512BMP型氮氣彈簧在11 MPa壓強下工作初始壓力為70 t，拉延結(jié)束時壓力達96 t，而CAE模擬壓力僅為70 t，比模擬壓邊力大37%，因此造成板件嚴重開裂。

4 CAE模擬分析時壓邊力

基于成本及便捷考慮，目前絕大多數(shù)的拉延模由氣墊提供壓邊力，壓邊力是恒定的,因此CAE分析時，壓邊力也是設置恒定的。從圖7中可以看出:CAE分析時使用70 t恒定壓邊力，但現(xiàn)場氮氣彈簧在11 MPa壓強下提供的壓邊力從初始時70 t增大至結(jié)束時96 t，與CAE分析相差很大，這是由于工藝人員對氮氣彈簧特性缺少認識所致。

圖6 現(xiàn)場氮氣彈簧壓邊力隨行程變化曲線

圖7 改善前的CAE壓邊力

5 改善措施

從本文分析可知：現(xiàn)場板件開裂嚴重，而CAE模擬分析時卻沒有開裂，這是由于現(xiàn)場使用的壓邊力與CAE分析時壓邊力相差較大所致。因此，改善措施應分別從現(xiàn)場氮氣彈簧壓邊力與CAE模擬壓邊力兩方面分析，以此提高現(xiàn)場與CAE模擬的一致性。

5.1 現(xiàn)場彈簧壓邊力

CAE模擬使用70噸壓邊力，模擬結(jié)果顯示板件變形充分，沒有開裂。但現(xiàn)場使用11 MPa充氣壓力， 初始壓邊力為70 t，拉延結(jié)束時，壓邊力增至96 t，與CAE分析不一致，造成板件開裂。因此，應降低充氣壓強，降低壓邊力，提高板件進料速度，從而改善板件開裂。圖8為改善后氮氣彈簧初始充氣壓強，從圖中看出：初始充氣壓強為9 MPa。圖9為氮氣彈簧在9 MPa初始充氣壓強下壓邊力隨行程變化曲線，可見初始壓邊力為57 t，拉延結(jié)束時壓邊力增至79 t。

圖8 改善后氮氣彈簧充氣壓強

圖9 改善后氮氣彈簧壓邊力曲線

5.2 變壓邊力模擬

由本文分析可知：CAE分析時應采用與現(xiàn)場狀態(tài)一致的變壓邊力，且壓邊力隨行程逐漸增大。如圖10所示，在AUTOFORM壓邊力設置界面，改恒定壓邊力Constant force為變壓邊力Time variable，然后Time、Force分別對應行程與壓邊力。

6 改善效果

圖11為初始充氣壓力為9 MPa時現(xiàn)場板件圖，從圖中可以看出，板件進料狀態(tài)良好，沒有破裂。圖12為AUTOFORM變壓邊力模擬變薄率圖與成行狀態(tài)圖，與現(xiàn)場一致。由此可看出，改善后不僅消除了現(xiàn)場板件破裂，而且提高了現(xiàn)場狀態(tài)與CAE分析的一致性，改善效果明顯。

圖10 改善后的CAE壓邊力

圖11 改善后現(xiàn)場板件

圖12 AUTOFORM變壓邊力模擬變薄率圖與成形狀態(tài)圖

7 結(jié)束語

本文詳細論述了氮氣彈簧壓力特性曲線變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)氮氣彈簧初始充氣壓強決定了彈簧初始壓力，氮氣彈簧壓力隨行程增大而增大，但變化規(guī)律是非線性的。同時對現(xiàn)場氮氣彈簧壓邊力變化規(guī)律進行了研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場模具拉延工件初始時壓邊力70 t，拉延結(jié)束時壓邊力96 t，壓邊力增大37%，造成現(xiàn)場板件嚴重開裂，與CAE模擬狀態(tài)不一致。

通過將氮氣缸初始充氣壓強從11 MPa調(diào)整至9 MPa，消除了現(xiàn)場板件開裂，同時CAE采用變壓邊力模擬，結(jié)果顯示板件現(xiàn)場狀態(tài)與CAE分析狀態(tài)一致，改善效果明顯。

[1] 張貴寶，陳軍，王曉方.基于板料成形數(shù)值模擬的沖壓模具結(jié)構(gòu)分析方法[J].機械工程學報，2008，44(8)：174-179.

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(責任編輯 劉 舸)

Improve Consistency of Actual State and CAE State of Gas Spring Panel Drawing Die

HE Fang-ke1, ZHANG Lei2, XIE Wei-dong1, YIN Yan-chun2

(1.Zhejiang Geely Manufacturing Engineering Center，Ningbo 315336，China； 2. RAYHOO Motor Dies Co., LTD., Wuhu 241006, China)

The characteristic curve of gas spring’s pressure was analyzed in detail. Study shows that gas spring’s initial force is determined by the initial pressure, and spring force increase with the increase of stoke. By reducing gas spring’ initial pressure from 11 MPa to 9 MPa, and applying variable binder force simulation, scene panel crack was eliminated, and the consistency of actual state and CAE was improved.

gas spring；initial pressure；stroke；binder force；crack

2016-12-18 作者簡介：何方可(1983—)，男，工程師，主要從事汽車模具及板料成形性分析方面的研究，E-mail:175812703@qq.com。

何方可，張雷，謝衛(wèi)東，等.氮氣彈簧拉延模現(xiàn)場狀態(tài)與CAE分析一致性的提高[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(5):34-38.

format：HE Fang-ke, ZHANG Lei, XIE Wei-dong,et al.Improve Consistency of Actual State and CAE State of Gas Spring Panel Drawing Die[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(5):34-38.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.05.006

U463

A

1674-8425(2017)05-0034-05